Ученые придумали корабль для быстрых межпланетных перелетов

Корабль с лазерно-тепловым двигателем достигнет Марса всего за 45 дней.

Канадские ученые предложили принципиально новую конструкцию лазерно-теплового двигателя для межпланетных космических полетов. По расчетам, корабль с силовой установкой, в которой водородное топливо разогревается сфокусированным лазерным лучом с Земли, достигнет Марса всего за 45 дней.

Передача энергии со скоростью света

Космические программы НАСА и Китая предусматривают отправку экспедиций на Марс. Но есть трудность — космическая радиация. Марсоход НАСА «Персеверанс» летел к Красной планете шесть месяцев и двадцать дней. Для людей такой перелет был бы смертельным.

В нескольких странах разрабатывают более быстрые ядерные ракетные двигатели. Но и они вряд ли позволят добраться до Марса раньше чем за сто дней.

Если же говорить о межзвездных путешествиях, там потребуются не только сверхскоростные, но и абсолютно автономные двигатели, способные работать бесконечно долго без дозаправки. Большинство подобных проектов основано на концепции светового паруса: космический аппарат разгоняется солнечным светом, падающим на зеркальную поверхность рефлектора. Такие агрегаты вообще не нуждаются в химическом топливе.

Но они способны перемещать лишь крохотные зонды массой не более грамма. Это годится для датчиков и оптических систем. Можно использовать для защиты планеты от астероидов, поиска сигналов внеземных цивилизаций или, например, связи с аппаратами на обратной стороне Луны.

Еще один недостаток светового паруса — чем дальше от Солнца, тем слабее поток света и тем меньше тяга. За границами Солнечной системой — вообще ноль.

Проекты Breakthrough Starshot или Project Dragonfly предлагают решить эту проблему, дополнив световой парус установленной на Земле лазерной решеткой мощностью около гигаватта. По расчетам, луч от нее разгонит сверхлегкий корабль до релятивистских скоростей — около двадцати процентов скорости света. Это позволит достичь ближайших звездных систем за десятилетия, а не за столетия или тысячелетия.

В Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (UCSB) с 2009-го при поддержке НАСА реализуют программу Starlight по созданию целого семейства гибридных лазерно-химических двигателей с направленной энергией (DE) — это когда лазерный луч создает импульс, запускающий ту или иную реакцию, в зависимости от топлива.

НАСА совместно со специалистами UCSB и Массачусетского технологического института изучает также концепцию лазерно-химического корабля. Суть в том, что лазеры заряжают фотоэлектрические батареи на борту космического аппарата. Эти батареи генерируют электрическое поле, в котором разогнанный до высоких скоростей ионизированный газ создает реактивную тягу.

К Марсу за 45 дней

Исследователи из Университета Макгилла в Монреале под руководством Эммануэля Дюплея оценили все варианты и предложили дополнить преимущества двигателей с направленной энергией мощностью ядерных.

В разработанной ими схеме лазерно-тепловой установки луч от расположенной на Земле лазерной решетки, направляется на надувной рефлектор космического аппарата. Разогретое сфокусированным лучом водородное топливо сгорает в «паровом котле», обеспечивая тягу.

Принципиальная схема космического корабля с лазерно-тепловым двигателем - РИА Новости, 1920, 28.03.2022

CC BY 4.0 / Emmanuel Duplay; Zhuo Fan Bao; S /Принципиальная схема космического корабля с лазерно-тепловым двигателем

Пока от Земли недалеко и лазерный луч достаточно мощный, корабль разгоняется до 14 километров в секунду. Затем двигатель отделяется и возвращается на среднюю околоземную орбиту, где его можно использовать повторно.

Это сократит полет до Марса до 45 дней. Кроме того, даст определенную свободу маневра, так как не понадобится жестко привязывать старт к моменту противостояния Земли и Марса. Две планеты оказываются ближе всего друг к другу раз в 26 месяцев — к этому и приурочивали запуски всех марсианских миссий.

Сравнение траекторий полета на Марс - РИА Новости, 1920, 28.03.2022

CC BY 4.0 / Duplay et al., 2022 /Сравнение траекторий полета на Марс с двигателем на химическом топливе и с лазерно-тепловым двигателем

Вопрос будущего

Ученые отмечают, что речь пока идет лишь о концептуальной модели. Так, предстоит определиться с материалом корпуса космического корабля, который должен быть достаточно тугоплавким, чтобы не сгореть при входе в марсианскую атмосферу, — торможения двигателем ведь не предусмотрено. В перспективе, когда на Красной планете появится постоянная база, там можно будет разместить лазерную установку для замедления спуска.

Еще один вопрос — нагревательная камера, выдерживающая десять тысяч градусов. Получить такой материал вполне реально, но испытать его пока все равно не удастся — еще нет лазеров мощностью в сто мегаватт.

Кое-что можно спроектировать уже сейчас — например, надувной отражатель.

Схема работы многоразового космического корабля с лазерно-тепловым двигателем для полетов к Марсу - РИА Новости, 1920, 28.03.2022

CC BY 4.0 / Duplay et al., 2022 /Схема работы многоразового космического корабля с лазерно-тепловым двигателем для полетов к Марсу

Идея лазерно-теплового двигателя возникла в 1970-х, но тогда не привлекла особого внимания. Теперь поселения на Марсе обсуждают всерьез, и эта концепция способна помочь решить многие проблемы: воздействие радиации и микрогравитации на космонавтов, логистические барьеры и доставка грузов для строительства марсианской инфраструктуры. Эта же технология пригодится для полета к другим планетам Солнечной системы, а также для беспилотных миссий к ее окраинам.

Источник